CN103038967A - 针对交流电源的过电压保护 - Google Patents

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Abstract

本发明描述用于对感应电力传送系统的过电压进行箝位的方法和设备。实例过电压保护电路具有：第一端子(130)，其经配置以接收交流电流信号用以转换为第二信号(125)；电容器(204)；第一开关(206)，其经配置以基于过电压检测信号选择性地将所述电容器电耦合到所述第一端子(130)，从而减少所述第二信号(125)上的过电压；以及过电压检测器(210)。实例过电压检测器(210)经配置以确定所述第二信号(125)的信号电平，且响应于确定所述第二信号的所述信号电平大于阈值而输出所述过电压检测信号，从而引起所述开关(206)将所述电容器(204)电耦合在所述第一端子与第二端子之间。

Description

针对交流电源的过电压保护
技术领域
本发明一般涉及箝位电路，且更特定而言，涉及用于对交流电源和调节系统的过电压进行箝位的方法和设备。
背景技术
感应电力传送系统一般用来在发射单元与接收单元之间无线传送电力。发射单元经由感应线圈产生磁场。当包含另一感应线圈的接收单元被安置在磁场内时，磁场引起接收单元产生与发射单元所产生的磁场成正比的电流。在接收单元处所产生的电流为交流电流，且可通过在电感电容滤波器电路的共振频率处交变电流而改善从发射单元到接收单元的电力传送的效率，所述电感电容滤波器电路可用来对在接收单元中所产生的电流进行滤波。
发明内容
在所描述的实例中，过电压保护电路包含：第一端子，其经配置以接收交流电流信号用以转换为第二信号；第二端子，其用以基于交流电流信号接收第二信号；接到第一端子的电容器；接到电容器与第一端子的开关，其经配置以基于过电压检测信号选择性地将电容器电耦合到第一端子，从而减少第二信号上的过电压；以及接到第二端子与开关的过电压检测器，其经配置以确定第二信号的信号电平，且响应于确定第二信号的信号电平大于阈值而输出过电压检测信号，从而引起开关将电容器电耦合在第一端子与第二端子之间。
在所描述的实例中，用以对过电压进行箝位的方法包含：在第一电源端子处接收交流电流信号；对交流电流信号进行整流以产生经整流信号；将经整流信号与阈值信号电平进行比较；以及在经整流信号大于阈值信号电平时将电容器耦合到第一电源端子。
附图说明
图1为感应电力传送系统的示意图。
图2为包含使用电容器的箝位电路的实例感应电力传送系统的示意图。
图3A为包含使用多个电容器实施的箝位电路的另一实例感应电力传送系统的示意图。
图3B为包含在没有开关驱动器的情况下实施的箝位电路的另一实例感应电力传送系统的示意图。
图4为可用来实施图2和图3A中的开关驱动器的实例开关驱动器的示意图。
图5为阐释实例箝位比较器和整流器输出电压的曲线图。
图6为阐释实例整流器输出、交流电流信号及箝位信号电压的曲线图。
图7为阐释随着图2中的箝位电容器的频率和值而变的模拟整流器输出电压的曲线图。
图8为描绘随着图1到3B中的感应电力传送系统的负载和频率而变的测得的整流器输出电压的曲线图。
具体实施方式
图1阐释感应电力传送系统100。感应电力传送系统100将电力从发射器电路102传送到接收电路104，接收电路104可调节电力且将经调节的电力提供到输出装置106。在图1的实例中，输出装置106为由接收电路104进行充电的电池108。
发射器电路102包含发射器线圈110，发射器线圈110经由切换网络114接收来自直流(DC)电源112的交流电流。控制器118控制切换网络114以将发射器线圈110耦合及解耦到电源112，从而引起交流电流流经发射器线圈110。由于交流电流流经发射器线圈110，所以发射器线圈110产生磁场。在一些实例中，发射器线圈110为30匝的线圈。
发射电路102和接收电路104可在物理上进行耦合及/或解耦以分别激活及/或减活发射电路102与接收电路104之间的电力传送。接收电路104包含接收线圈120，当接收线圈120被安置在发射器线圈110所产生的磁场内时，接收电路104变成与发射器线圈110结合在一起的变压器。接收电路104进一步包含串联电容器122，串联电容器122建立与接收线圈120结合在一起的电感电容(LC)滤波器和共振频率。当操作频率(例如，发射器线圈110及/或接收线圈120中的交流信号的频率)接近接收电路104的共振频率时，接收线圈120起到类似于电流源的作用。
当接收电路104被安置在发射器线圈110的磁场内时，磁场在接收线圈120中诱发交流电流。接收器线圈120将感应电流馈送到同步整流器124，同步整流器124将所接收的交流电流转换为直流电流。同步整流器124将直流电流输出到使直流电流平稳的整流器电容器126。如本文所使用，术语整流器输出或整流器电压指同步整流器124的输出端子125处的直流信号的电压。实例接收电路104进一步包含线性充电器128以产生线性电压及/或电流用以输出到输出装置106。
同步整流器124包含两个输入端子130和132以接收来自接收线圈120的交流输入信号。端子130和132中的每一者可被认为具有交流相位，在所述交流相位期间相应端子130或132接收来自接收线圈120的电流(即，吸收电流)，接收线圈120用来在整流器输出端子125处提供电流(即，源电流)。同步整流器124通过每次将端子中的一者130(例如，将电流提供到同步整流器124的端子)耦合到同步整流器124的输出端子125同时将端子中的另一者132耦合到参考端子(例如，接地端子或另一中性端子)而操作。当端子130的信号电平已减少且另一端子132开始提供电流时，同步整流器124切换以将另一端子132耦合到整流器输出端子125同时将端子130耦合到参考。因此，每一端子130或132要么将来自接收线圈120的电流引导至同步整流器124，要么在任何给定的时间处连结到参考端子。
因为整流器的操作频率接近实例接收电路104的共振频率，所以系统100的整流器输出电流电压线接近恒定电流且因此接近电流源行为。因此，同步整流器124、整流器电容器126及线性充电器128可遭受足够高的电压和功率从而引起损害。
图2为包含使用箝位电容器204的箝位电路202的实例感应电力传送系统200的示意图。实例感应电力传送系统200包含实例发射器电路102、实例接收线圈120、实例串联电容器122、具有端子130和132及整流器输出端子125的实例同步整流器124、实例整流器电容器126以及图1中的给图1中的实例电池108充电的实例线性充电器128。图2中的实例接收线圈120为18匝的线圈且实例串联电容器122具有100纳法(nF)的电容。因此，实例接收电路104的共振频率约为100千赫兹(kHz)。在实例系统200中，由于发射器电路102所提供的电力量，所以接收线圈120甚至在较高电压下且接近共振频率处也不会产生多于1安培(A)的电流。当然，可使用其它电容器值或匝数。
实例电容箝位202进一步包含切换元件206及开关驱动器208以选择性地将箝位电容器204耦合在同步整流器124的输入端子130与132之间。实例切换元件206在图2中被阐释为n沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管(FET)。然而，可使用其它类型的切换装置，包含p沟道金属氧化物半导体(PMOS)场效应晶体管、双极结型晶体管及/或其它类型的电的及/或机电开关。切换元件206由开关驱动器208控制(例如，经由NMOS的栅极端子)。
为了防止可由过电压情形所引起的对接收电路104的损害，给实例感应电力传送系统200提供箝位电路202及过电压检测器210。一般而言，箝位电路202通过响应于确定在整流器输出端子125处存在或可能存在过电压情形而将端子130与132之间的电压进行箝位来防止或减少整流器输出端子125处的过电压情形。过电压检测器210与整流器输出端子125和箝位电路202通信以监视整流器电压。
实例过电压检测器210包含击穿(例如，齐纳(Zener))二极管212、下拉电阻器214及电容器216。过电压检测器210将过电压检测信号提供给开关驱动器208，以指示在同步整流器124的输出处是否存在过电压情形。击穿二极管212具有击穿电压，所述击穿电压可被选择作为整流器电压的上阈值。在所阐释的实例中，整流器电压相对于接地来说通常小于10V，且同步整流器124及/或线性充电器128可被低至20V的电压损害。实例击穿二极管212因此具有在12V与16V之间所选择的击穿电压。实例电阻器214具有10千欧姆(kΩ)的电阻且实例电容器216具有1微法(μF)的电容。当然，可根据特定应用调节击穿电压、电阻及/或电容的值。电阻和电容值可确定过电压检测器210对过电压情形的反应时间。
当不存在过电压情形时，过电压检测信号被电阻器214下拉到参考电压(例如，接地，0V)，因为击穿二极管212不传导电流。然而，当过电压情形发生时(例如，当整流器输出电压增加至高于击穿电压时)，击穿二极管212具有雪崩击穿。结果，电流流经电阻器214且增加过电压检测信号电压。
当过电压检测信号电压足够高而被认为是逻辑一(例如，逻辑高)时，开关驱动器208检测到过电压情形。然而，开关驱动器208可基于交流信号电平而延迟或阻止箝位电容器204耦合或解耦到电路内。开关驱动器208确定端子130和132处的交流信号是否足够低以将箝位电容器204耦合在端子130与132之间。如果端子130和132处的交流信号太高且箝位电容器204被放电，则当箝位电容器204被连接在端子130与132之间时可发生大突入电流。类似地，当箝位电容器204被充电时，如果将箝位电容器204从端子130和132断开，则可发生大电容器放电电流。突入或放电电流可在切换元件206上引起大电压。在此情形中，要么切换元件206必须充分稳健以处置突入(例如，增加NMOS的大小)，要么开关206可能被损害。在微电路应用中，一般不需要较大NMOS。如下文更详细解释的，为了使用较小的切换元件206且防止对切换元件206的损害，当交流信号具有足够低的电压时，开关驱动器208将箝位电容器204耦合及解耦到端子130和132。代替地，在使用较小较便宜的电路组件的同时，开关驱动器208允许切换元件206在系统200的操作频率的一半周期内响应于存在及/或没有过电压情形。虽然可使用较大组件处置较大电压及/或功率，但其可引起感应电力传送系统200变得过分昂贵。
图3A为包含使用电容器304a和304b所实施的箝位电路302的另一实例感应电力传送系统300的示意图。实例箝位电路302进一步包含切换元件306a和306b以及开关驱动器308a和308b以选择性地将箝位电容器304a和304b中的相应电容器耦合在同步整流器124的输入端子130和132与参考(例如，接地、中性)之间。实例感应电力传送系统300进一步包含图2中所阐释的实例过电压检测器210。
实例箝位电容器304a、实例切换元件306a和实例开关驱动器308a可以与参考图2在上文中所描述的箝位电容器204、切换元件206和开关驱动器208中的相应者类似或相同的方式操作。然而，箝位电容器304a被选择性地耦合在端子130与参考之间。类似地，实例箝位电容器304b、实例切换元件306b和实例开关驱动器308b可以与箝位电容器204、切换元件206和开关驱动器208中的相应者类似或相同的方式操作，除了箝位电容器204b被选择性地耦合在端子132与参考之间。当切换元件306a和306b被接通且将箝位电容器304a和304b耦合在端子130和132中的相应者与参考之间时，端子130和132经由切换元件306a和306b与参考而有效耦合。
开关驱动器308a和308b基于端子130和132处的相应交流信号而限制相应切换元件306a和306b的切换。因此，开关驱动器308a仅允许切换元件306a在端子130处的交流信号低于预定阈值时将箝位电容器304a耦合及解耦在端子130与参考之间。类似地，开关驱动器308b仅允许切换元件306b在端子132处的交流信号低于预定阈值时将箝位电容器304b耦合及解耦在端子132与参考之间。
图3B为包含在没有开关驱动器的情况下所实施的箝位电路312的另一实例感应电力传送系统310的示意图。实例箝位电路312包含图3A中的箝位电容器304a和304b与切换元件306a和306b。然而，箝位电路312并不包含图3A中的开关驱动器308a或308b。代替地，切换元件306a和306的输入端子(例如，FET的栅极端子)被耦合到实例击穿二极管212的阳极端子。在操作中，当整流器输出端子125处发生过电压情形时，击穿二极管212开始传导电流，此增加将端子130和132耦合到参考的切换元件306a和306b的输入端子处的电压。相反地，当不再存在过电压情形时，击穿二极管212停止传导电流且电阻器214将电压下拉且引起切换元件306a和306b将端子130和132从参考解耦。
因为图3B中的实例箝位电路312并不包含开关驱动器308a和308b，所以可独立于端子130和132处的交流电压而由过电压检测器210来接通切换元件306a和306b(例如，将端子130和132耦合到参考)。因此，在某些实例中，可使用相对大的外部切换元件实施切换元件306a和306b，从而使切换元件306a和306b能够在不对切换元件306a和306b或感应电力传送系统310造成损害的情况下处置突入及/或电容器放电电流。
在图2、3A和3B中的实例系统200、300及310中，接收电路104的共振频率或近似共振频率是有利的操作频率，因为当操作频率接近共振频率时，从发射器电路102到接收电路104的能量传输具有增加的效率。因此，整流器输出端子125处的整流器电压可在共振频率处变得非常高。
图4为可用来实施图2和3A中的开关驱动器208、308a和308b的实例开关驱动器400的示意图。为了清楚简洁起见，图4将被描述为实施图3A中的实例开关驱动器308a。实例开关驱动器400包含门控D锁存器402和两个比较器404和406。门控D锁存器402在D端子处接收输入信号且在E端子处接收启用信号且从Q端子输出箝位信号。E端子控制是否输入信号作为箝位信号而通过。比较器406将端子130处的交流信号(ACSIGNAL)与阈值(AC THRESHOLD)进行对比以确定是否交流信号具有足够低的信号电平以将箝位电容器304a耦合及/或解耦在端子132与参考之间。因此，当交流信号低于阈值时，比较器406输出逻辑高信号以启用门控D锁存器402(例如，从Q端子输出在D端子处所接收的输入信号)。
比较器404将整流器电压(VREC)与整流器电压阈值(VREC THRESHOLD)进行比较。当整流器电压大于阈值时(例如，存在过电压情形)，比较器将高逻辑信号输出到门控D锁存器402的D端子。当锁存器402的E端子被启用时(例如，交流信号小于交流阈值)，D端子的输入是来自Q端子的输出(例如，箝位信号)。箝位信号输入到切换元件306a的开关输入(例如，NMOS的栅极端子)。因此，当锁存器402的E端子被启用且整流器电压处于过电压情形中时，Q端子输出逻辑高箝位信号，所述信号引起切换元件306a将箝位电容器304a耦合在端子132与参考之间。类似地，当锁存器402的E端子被启用且整流器电压没有处于过电压情形中时，Q端子输出逻辑低箝位信号，所述信号断开切换元件以将箝位电容器304a从端子132及参考解耦。然而，当锁存器402的E端子被停用时，不管过电压情形如何，箝位信号均保持恒定。
在一些实例中，可使用D触发器实施门控D锁存器402。在那些情形中，D触发器为边缘敏感的且可仅在来自比较器406的输出从低变高时(例如，当交流信号减少到交流阈值以下时)改变其输出(例如，可基于存在及/或不存在过电压情形而改变切换元件306a的状态)。
图5为阐释实例箝位信号502(例如，图2和3A中的开关驱动器208、308a及308b的输出)与整流器输出504电压的曲线图500。当整流器输出504超过阈值506(例如，约14V)时，箝位信号502激活(例如，接通切换元件206)。当箝位信号502被激活时，箝位电容器204将端子130和132处的交流信号进行箝位以减少整流器输出504。当整流器输出504减少至阈值506以下时，箝位信号502减少至逻辑低，其断开切换元件206以将箝位电容器204从端子130和132解耦。
图6为阐释实例整流器输出602、交流信号604和箝位信号电压606的曲线图600。实例曲线图600具有比实例曲线图500小的时基且更详细地阐释整流器电压的增加。
在第一时间周期608期间，整流器输出602小于过电压阈值(例如，整流器输出602没有处于过电压情形中)，交流信号604为同相的(例如，图1中的同步整流器124的端子130正在吸收电流)，且箝位信号606处于逻辑高(例如，箝位电容器204被耦合在端子130与132之间)。虽然整流器输出602小于过电压阈值，但是箝位信号606保持在逻辑高，因为开关驱动器208在交流信号604高于阈值810时阻止箝位信号606改变。
在第一时间周期608的末端处，交流信号604减少至阈值610以下，此时箝位信号606减少，因为整流器输出602也小于过电压阈值。在第二时间周期612期间，整流器输出602增加至过电压阈值以上。当交流信号604不同相时(例如，端子132吸收电流)，交流信号604的电压仍可由于包含图1中的接收线圈120和串联电容器122的LC滤波器而增加。因此，开关驱动器208阻止箝位信号606响应于过电压情形而增加以耦合箝位电容器204。当交流信号604减少至阈值610以下时，开关驱动器208将箝位信号606增加至逻辑高以将箝位电容器204耦合到端子130。因此，在第三时间周期614期间，箝位电容器204将交流信号604进行箝位以减少整流器输出602。结果，整流器输出602减少且交流信号604相对于交流信号604未被箝位时更慢地增加。
图7为阐释随着图1中的实例感应电力传送系统100的频率和并联电容而变的模拟整流器输出电压的曲线图700。实例频率线702和704被展示为相应倍数的共振频率。如图7中所展示，使用具有大于约140nF的电容值的箝位电容器可在任何频率处将图1中的整流器输出箝位至20V以下。图2中的实例箝位电容器204具有200nF的电容值。图3A中的实例箝位电容器304a和304b各自具有450nF的电容值。因此，当图3A中的箝位电容器304a和304b两者将相应整流器端子130和132耦合到参考时，端子130与132之间的有效电容为约450nF。
图8为描绘随着图1至3中的感应电力传送系统100、200、300以及310的负载和频率而变的测得的整流器输出电压802、804、806的曲线图800。如上文所描述的，图1至3中的实例接收器电路104具有约100kHz的共振频率。如图8中所阐释的，同步整流器124的输出电压125(例如，整流器电容器126处的电压)的增加大体上与同步整流器124的负载成正比。此外，当操作频率接近接收电路104的共振频率时，整流器电压以每单位电阻(欧姆)更高的速率增加。举例来说，针对40欧姆(Ω)负载在104kHz处的整流器电压802为约21.5伏特(V)，而针对40Ω负载在106kHz处的整流器电压804为约20V。当整流器电压802和804增加至危险电压808时，可损害同步整流器124、整流器电容器126及/或线性充电器128。
实例感应电力传送系统200、300和310阻止实例整流器电压806增加至过电压阈值(例如，18V)以上。与图1中可能遭受可损害系统100的危险电压808的感应电力传送系统100相反，实例感应电力传送系统200、300被限制于过电压阈值。如上文所描述的，当整流器输出电压806增加至阈值电压以上时，箝位电路202、302和312限制整流器输出电压806。因此，可通过包含用以保护较小较便宜的电路组件的箝位电路202、302和312而用少于图1中的感应电力传送系统100的制造成本实施以上所描述的实例感应电力传送系统200、300和310。
所属领域的技术人员将了解，在所主张的本发明的范围内，可对所描述的实例实施例和其它实施例做出修改。

Claims (13)

1.一种过电压保护电路，其包括：
第一端子，其经配置以接收交流电流信号用以转换为第二信号；
第二端子，其经配置以接收所述第二信号；
电容器，其耦合到所述第一端子；
开关，其与所述电容器和所述第一端子协作，且经配置以基于过电压检测信号选择性地将所述电容器电耦合到所述第一端子，从而减少所述第二信号上的过电压；
及
过电压检测器，其与所述第二端子和所述开关协作，且经配置以确定所述第二信号的信号电平，且响应于确定所述第二信号的所述信号电平大于阈值而输出所述过电压检测信号，从而引起所述开关将所述电容器电耦合在所述第一端子与第二端子之间。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述过电压检测器包括比较器，所述比较器经配置以将所述第二信号与所述阈值进行比较且在所述第二信号大于所述阈值时产生所述过电压检测信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述过电压检测器包括下拉电阻器和具有大体上等于所述阈值的击穿电压的击穿二极管；且其中所述击穿二极管经配置以在所述第二信号上的电压超过所述击穿电压时输出所述过电压检测信号。
4.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括整流器电路，所述整流器电路与所述第一和第二端子、所述电容器以及所述开关耦合且经配置以产生所述第二信号。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述电容器包括第一和第二电容器，且其中所述开关选择性地将所述第一电容器耦合在所述第一端子与参考之间。
6.根据权利要求5所述的电路，其进一步包括第二开关，所述第二开关经配置以在第三端子上的第二电信号电平小于第二阈值时基于所述过电压检测信号选择性地将所述第二电容器耦合在所述第三端子与所述参考之间。
7.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括开关驱动器，所述开关驱动器经配置以接收所述过电压检测信号且选择性地输出箝位信号，从而引起所述开关将所述电容器电耦合到所述第一端子。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述开关驱动器包括：比较器，所述比较器经配置以将所述过电压检测信号与所述阈值进行比较且基于所述比较而输出所述箝位信号；及锁存器，所述锁存器经配置以在所述交流电流信号小于第二阈值时将所述箝位信号输出到所述开关。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述开关驱动器包括第二比较器，所述第二比较器经配置以将所述交流电流信号与所述第二阈值进行比较。
10.根据权利要求7所述的电路，其中所述开关驱动器在所述交流电流信号大体上处于中性信号电平处时输出所述箝位信号。
11.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括整流器电容器，所述整流器电容器经配置以使经整流信号平稳。
12.一种用以对过电压进行箝位的方法，其包括：
在第一电源端子处接收交流电流信号；
对所述交流电流信号进行整流以产生经整流信号；
将所述经整流信号与阈值信号电平进行比较；及
在所述经整流信号大于所述阈值信号电平时将电容器耦合到所述第一电源端子。
13.一种具有过电压保护的感应电力传送系统，其包括：
接收器线圈，其具有第一和第二端子，且经配置以基于发射器线圈的电压、电流和频率而在所述第一和第二端子上产生交流电流信号；
整流器，其经配置以对所述交流电流信号进行整流且输出经整流信号；
过电压保护电路，所述过电压保护电路包括：
第一箝位电容器和第二箝位电容器；
第一开关，其经配置以基于第一箝位信号选择性地将所述第一箝位电容器电耦合在所述第一端子与参考之间以减少所述经整流信号的过电压；
第二开关，其经配置以基于第二箝位信号选择性地将所述第二箝位电容器电耦合在所述第二端子与所述参考之间以减少所述过电压；
过电压检测器，其经配置以确定所述经整流信号的信号电平，且响应于确定所述经整流信号的所述信号电平大于第一阈值而输出所述过电压检测信号；
第一开关驱动器，其经配置以接收所述过电压检测信号且输出所述第一箝位信号，从而引起所述第一开关在所述第一端子处的第一功率信号小于第二阈值时选择性地将所述第一端子电耦合到所述参考；及
第二开关驱动器，其经配置以接收所述过电压检测信号且输出所述第二箝位信号，从而引起所述第二开关在所述第二端子处的第二功率信号小于所述第二阈值时选择性地将所述第二端子电耦合到所述参考。
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